CN103913223B - 激光探测和警告系统 - Google Patents
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Abstract
一种激光探测和警告系统及其相关方法，所述方法向飞行器的驾驶员警告入射的激光辐射并确定激光辐射源的位置，该系统包括配置为安装在飞行器上的探测器，探测器具有光学子系统、探测器子系统和处理器子系统以确定入射的激光辐射的特性并传输激光警告输出信号，其中该激光警告输出信号可以包括激光辐射的波长特性、相应的护目镜类型和激光辐射源的位置。
Description
技术领域
本发明一般涉及激光警告系统，更具体地，涉及机载激光探测和警告系统及其相关的方法，以警告驾驶员激光束的类型和方向以及激光束的源位置。
背景技术
在过去的十年里，已经有许多朝向飞行器的手持激光器事故。对于商业驾驶员以及新闻和天气直升机驾驶员来说，这已成为普遍而且危险的事件。虽然因为暴露短暂且涉及大距离，在这种情形下暴露于手持激光可能似乎是微不足道的，但是在这种情形下暴露于手持激光会产生危险的情形，如驾驶员的闪光盲。如果在飞行器操作的关键时刻出现这种情况，飞行器可能会受到威胁。例如，在着陆或某些导航任务期间短暂失明可能会具有灾难性后果。此外，激光能够对眼睛造成暂时或永久损伤。激光辐射的类型和方向的可靠探测和识别对于飞行员/驾驶员的安全是至关重要的，而且与激光源位置相关的精确信息可以提供合适的防护措施或执法对策。
此外，军事飞行员不仅会因手持激光器而有暂时失明的风险，而且还会遭到被激光瞄准“标示”。一般和军事飞行器有关，激光探测装置记录来自激光测距仪或激光指示器的激光辐射，并通过警告信号向所标示的飞行器，也即飞行员明确激光照明已经发生或正在持续。激光辐射的可靠探测和识别对于任务的成功是至关重要的，而且与激光类型有关的精确信息可以提供合适的应对措施。
因此，本领域的技术人员在激光探测和警告系统领域中继续进行研究和开发工作。
发明内容
在一个实施例中，所公开的激光探测和警告系统可以包括配置为安装在飞行器上的探测器，该探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统，以确定进入的激光辐射的特性并传输激光警告输出信号，其中该激光警告输出信号包括激光辐射的波长特性和相应的护目镜类型。
在另一个实施例中，所公开的激光探测和警告系统可以包括被配置为安装在飞行器上的探测器，该探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统以确定进入的激光辐射的特性并传输激光警告输出信号，其中激光警告输出信号包括激光辐射的波长特性、相应的护目镜类型、激光辐射的逼近方向特性和激光辐射源的位置特性。
在另一个实施例中，所公开的激光探测警告系统可以包括被配置为安装在飞行器上的探测器，该探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统以确定进入的激光辐射的特性并传输激光警告输出信号，其中激光警告输出信号包括激光辐射的波长特性、相应的护目镜类型和激光辐射的逼近方向特性。
在另一个实施例中，所公开的激光探测和警告系统可以包括配置为安装在飞行器上的探测器，该探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统以确定进入的激光辐射的特性并传输激光警告输出信号，其中激光警告输出信号包括激光辐射的波长特性、相应的护目镜类型、激光辐射的逼近方向特性和激光辐射源的位置特性。
在另一个实施例中，所公开的用于警告飞行器的驾驶员存在激光辐射的方法可以包括以下步骤：（1）提供安装在飞行器上的探测器，该探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统；（2）使用光学子系统探测进入的激光辐射；（3）将激光辐射聚焦并引导到探测器子系统；（4）响应激光辐射而产生数字信号；（5）将数字信号传输至处理器子系统；（6）处理数字信号，确定激光辐射的波长特性，以及（7）传输包括激光辐射的波长特性的激光警告输出信号并识别相应的护目镜类型。
在另一个实施例中，所公开的用于警告飞行器的驾驶员存在激光辐射的方法可以包括以下步骤：（1）提供安装在飞行器上的探测器，该探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统；（2）使用光学子系统探测进入的激光辐射；（3）将激光辐射聚焦并引导到探测器子系统；（4）响应激光辐射而产生数字信号；（5）将数字信号传输至处理器子系统；（6）处理数字信号，确定激光辐射的波长特性；（7）处理数字信号确定激光辐射的逼近方向；以及（8）传输包括激光辐射的波长特性的激光警告输出信号，识别相应的护目镜类型和激光辐射的逼近方向。
在另一个实施例中，所公开的用于警告飞行器的驾驶员存在激光辐射的方法可以包括以下步骤：（1）提供安装在飞行器上的探测器，该探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统；（2）使用光学子系统探测进入的激光辐射；（3）将激光辐射聚焦并引导到探测器子系统，响应激光辐射而产生数字信号；（4）将数字信号传输至处理器子系统；（5）处理数字信号确定激光辐射的强度特性；（6）处理数字信号确定激光辐射的逼近方向特性；（7）确定飞行器的空间位置；（8）将数字信号和飞行器的位置关联；（9）计算激光辐射源相对于飞行器的空间位置的距离和方向，以及（10）传输包括激光辐射源的位置的激光警告输出信号。
从下文详细描述、附图和所附的权利要求中，所公开的激光探测和警告系统的其他方面将变得明显。
附图说明
图1是公开的激光探测和警告系统的一个实施例的示意图；
图2是所公开的激光探测和警告系统的探测器的一个实施例的示意框图；
图3是所公开的激光探测和警告系统的探测器的探测器子系统的一个实施例的示意框图；
图4是所公开的激光探测和警告系统的探测器的光学子系统的一个实施例的示意框图；
图5是所公开的激光探测和警告系统的探测器的处理器/处理子系统的一个实施例的示意框图；
图6是所公开的激光探测和警告系统的另一个实施例的示意图；
图7是所公开的激光探测和警告系统的另一个实施例的示意图；
图8是描述所公开的向飞行器的驾驶员警告激光辐射存在的方法的一个实施例的流程图；
图9是描述所公开的确定激光辐射源的位置的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下文参照附图进行的详细描述说明了本发明的具体实施例。具有不同结构和操作的其他实施例不脱离本发明的范围。相同的附图标记可以表示不同附图中的相同元件或组件。
尽管下文讨论的公开的激光探测和警告系统及其相关方法主要讨论针对探测射向飞行器尤其是飞行器的驾驶舱的激光的用途，但是本领域的技术人员可以认识到本文公开的系统和方法可用于任意类型的激光探测，例如探测用于照射即标示在作战情形下的空中或陆地运载工具的激光。此外，本领域的技术人员可以认识到尽管下文的系统和方法涉及探测激光，但是该系统也可以用于探测来自任意类型的源的任意类型照明，而不论其波长如何。可以进一步认识到探测各种类型照明源（不论是否是激光）的类型、距离、方向和位置可用于商用、民用或军用飞行器之外的大量其他情形。
参考图1，一种空运激光探测和警告系统，通常被标示为“系统”10，其可以包括各种集成的各个飞行器平台（通常标识为“飞行器”12）。在所示的实施例中，系统10可以安装在飞行器12的外表面上的方便位置上。在图1所示的实施例中，系统10的尺寸被夸大以便于说明。替代地，系统10可以集成在飞行器12的机架或机身中。系统10可以合适地安装在飞行器12的稳定器14上。系统10可以包括由安装在稳定器14上的基座18支撑的圆顶或头部16。头部可以提供360°视场（fieldofview，FOV），以完整覆盖激光束20可以进入飞行器12驾驶舱的潜在区域。在所公开的系统10的某些实施例中，头部16能够绕垂直轴完全旋转，而且可以由基座18内的合适轴承可旋转地支撑。
系统10可以探测任意持续的或发脉冲的激光束20（通常激光束20可以包括任意可见或不可见光或其他由激光器产生的其他电磁辐射）的存在，并为飞行器12的驾驶员提供若干输出信号。例如，系统10可以探测激光束20的源22的方向以指示进入的激光20的方向，即驾驶员不应该看的方向。系统10还可以探测激光束20的类型，即激光束20的波长，并将这种激光类型信息以及保护驾驶员的眼睛不受损害所需要的安全护目镜类型传输给驾驶员。系统10还可以计算激光束20的源22的位置，即，源22相对于飞行器12的距离和方向，而不论源22是在地面上还是在空中。这种位置信息可以被传输给与民用或商用飞行相关的当地执法机构。这种信息还可以被传输给驾驶员以执行应对措施或摧毁与军事行动相关的源22。
接着参考图2，所公开的系统10的一个实施例可以包括至少一个位置敏感光探测器24或光探测器24的阵列（图7）的配置。在一个示例性实施例中，探测器24可以包括光学子系统26、探测器子系统28和处理子系统（或处理器子系统）30。光学子系统26可以收集通过头部16（参见图1）的光以提供各种视场（FOV）和到达方向（directionofarrival，DOA）功能。探测器子系统28可以接收光学子系统26聚焦的光并响应于激光束20而提供数字信号。处理器子系统30可以接收和处理来自探测器子系统28的数字信号并传输激光警告输出信号40。激光警告输出信号40可以包括至驾驶员的音频信息、可视信息或视听信息。
探测器24的阵列可以采用各种技术以探测潜在的激光束20。参考图3，在一个实施例中，探测器子系统28可以包括光电传感器32。光电传感器32可以是响应于激光束20而产生电子信号的任意器件。例如，光电传感器32可以是光电二极管或类似的光电探测器，其可以响应光子相互作用通过产生自由电子而将光转换为电流。探测器24还可以包括用于确定光束20的波长的光谱仪34和耦合到光电传感器32或与光传感器通信的电流电压转换器36或跨阻放大器以将光电传感器32产生的电流转换成传输至处理子系统30的电压信号。
在另一个实施例中，光电传感器32可以包括电荷耦合器件（CCD）和频谱敏感的探测器以将来自激光束20的能量转换为数字信号，然后该数字信号可以被处理子系统30处理。电荷耦合器件可以是用于将电荷从器件内移动到电荷能够受操控的区域的任意器件，例如，通过每次“转移”器件内的级之间的信号中的一个来实现将信号转换为用于由处理子系统30处理的数字值。电荷耦合器件可以在器件中的电容性箱之间移动电荷，其中这种转移允许箱之间的电荷转移。作为一个示例，电荷耦合器件可以包括N阱/P衬底光电二极管、电容性跨阻放大器、像素扫描仪和德尔塔差分电路。电荷耦合器件的使用可以消除对离散频谱仪34和电流电压转换器36的需要。
参考图4，光学子系统26可以包括如反射镜、具有在阵列中的多个光纤的光纤束、分束器、输入透镜、光控滤光器或其他聚焦光学器件38的这些已知组件。聚焦光学器件38可以是光学子系统26的可选部分，其用于提高进入探测器子系统28的光，即激光束20的信号背景比，这可以有助于减少假警报的情况。频谱滤波器42可以可选地放置在聚焦光学器件38的后面以仅允许特定波长频谱的光到达探测器子系统28。以这样的方式，探测器24可以限于探测大致在与激光即激光束20有关的波长附近的光，以在环境光即可见光噪声到达探测器子系统28之前限制环境光。
参考图5，处理子系统30可以是任意计算机处理器，其包括能够接收和处理来自探测器子系统28的数字信号并传输激光警告输出信号40的硬件和软件。例如，处理子系统30可以包括数字信号处理器44，其可以根据来自探测器子系统28的数字信号确定激光束20的具体类型，即输出强度和波长，并将相应的警告输出40提供给飞行器12的驾驶员，其中警告输出40包括所需的合适的护目镜类型。数字信号处理器44还可以根据来自探测器子系统28的数字信号确定激光束20的源22相对于飞行器12的方位角和高度并将相应的警告输出40提供给驾驶员，该警告输出40包括入射/进入的激光束20的方向和驾驶员应该避免看的地面或空中的方向指示。处理子系统30还可以包括全球定位系统（GPS）46、导航处理器48和具有表示局部区域的地形数据的数字地面映射处理器50，这三者与数字信号处理器44通信以提供相应警告输出40，该警告输出包括源22在地面上的确切位置。接着这种位置信息可以被传输给执法机构或其他官方机构以采取合适的行动。
参考图6，在一个实施例中，光学子系统26可以被配备反射镜52，其聚焦进入的激光辐射即激光束20朝向探测器子系统28。如图所示的，反射镜52可以集成在头部16内。在一个实施例中，探测器子系统28可以是环形的位置敏感光电传感器32，其位于环绕的反射镜52的焦点。从图中可明显看出，激光辐射20被聚焦朝向探测器子系统上的区域，该区域与其进入的区域截然相对，从而这可用于确定激光源22的方位。
能够认识到头部16可以包括滤波器42，其可以将不期望的某些波长的电磁辐射滤除从而最小化或消除系统10的错误警报。反射镜52可以放置在探测器子系统28之上的头部16的内侧。探测器子系统28还可以受到头部16的保护以免受环境影响，例如雨或其他环境状况。
参考图7，在另一个实施例中，所公开的系统10通常可以包括光探测器24的至少一个阵列54，其中光探测器24的阵列54可以包括至少两个光探测器24，其中示出每个阵列54中的三个探测器24作为示例。例如，系统10可以包括多个平行探测器24以提供360°视场和到达方向功能。在某些实施例中，如图所示，阵列54的每个探测器24可以包括光学子系统26和探测器子系统28，并且每个阵列54可以被连接到并使用单个的中心处理器子系统30。
参考图8，还公开一种方法，通常标示为100，其用于响应于特定电磁辐射例如激光束的探测而提供激光警告输出信号。方法100可以在块102开始，其具有使用所公开的系统10探测激光束20的存在的步骤。在块104，激光束20可以被光学子系统26聚焦，并被引导朝向探测器子系统28。在块106，探测器子系统28可以吸收来自激光束20的辐射。在块108，可以响应于激光束20的辐射生成数字信号。在块110，探测器子系统28可以将数字信号传输给处理器子系统30，在此可以处理与激光束20有关的信息而且可以提供激光警告输出信号40。在块112，可以生成激光警告输出信号40，该输出信号包括激光束20的类型，包括基于激光束20的波长（块114）的激光束20的颜色，和激光束20的逼近方向（块116）。在块118，激光警告信号40可以被传输给驾驶员，该信号40包括要戴的合适护目镜和要避免的视野方向的指示，以及采取防护措施抵御激光辐射的指令。在块120和122，可以采取合适的驾驶员响应行动，包括佩戴合适的激光安全护目镜以屏蔽所识别的激光束20的辐射从而保护驾驶员的眼睛不受损害并防止闪光盲（块120）和避免直视所识别的激光束20的逼近方向（块122）。
参考图9，还公开一种方法，一般标示为200，用于响应激光辐射即激光束20的探测而提供激光警告输出信号400。该方法200在块202开始，其具有使用所公开的系统10来探测激光束20的存在的步骤。在块204，激光束20可以被光学子系统26聚焦并引导朝向探测器子系统28。在块206，探测器子系统28可以吸收来自激光束20的辐射。在块208，响应于激光束20的辐射可以生成数字信号。在块210，探测器子系统28可以将数字信号传输至处理器子系统30，在此可以处理与激光束20的强度和激光束20的逼近方向有关的信息，而且可以提供激光警告输出信号40。在块212，可以生成激光警告输出信号40，其包括与激光束20的强度（块214）和激光束20的逼近方向（块216）有关的信息。在块218，与激光束20相关的强度信息即距离信息和方向信息可以被相关联，并和飞行器12的相对位置一起被处理器子系统30处理以确定激光束20的源22的位置。飞行器12的相对位置可以由处理器子系统30使用由GPS46提供的GPS坐标、导航处理器48提供的飞行器12的俯仰、滚动和偏航、系统10耦合到飞行器12的位置以及数字映射处理器50提供的飞行器12相对于局部区域的地面位置确定。在块220，激光警告输出信号40可以被提供，包括与激光束20的源22位置有关的信息。在块222和224，根据警告信号40中提供的位置信息，可以采取合适的驾驶员响应（块222）或合适的执法响应（块224）。
本领域的技术人员能够认识到上述方法100可以和方法200集成以将警告信号40提供给驾驶员，并向执法机构提供位置信息，该信号包括为了安全向驾驶员提供眼睛保护和逼近方向信息。
此外，与军事行动相关，在块222，数字信号可由探测器子系统28传输至处理器子系统30，在此处理与激光束20的波长和调制频率有关的信息。在块220，激光束20的特性的确定可在警告信号40中被传输给驾驶员以将激光束20标示为针对驾驶员将采取的合适对策的地对空导弹或空对空导弹的激光指示或追踪激光。
另外，本公开内容包括根据以下条款的实施例：
条款1.一种激光探测和警告系统，其包括：
运载工具；
探测器，其连接至所述运载工具，所述探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统以确定进入的激光辐射的特性并响应于所述激光辐射而传输激光警告输出信号。
条款2.根据条款1所述的系统，其中所述激光警告输出信号指示所述激光辐射的波长。
条款3：根据条款1所述的系统，其中所述激光警告输出信号提供抵挡所述波长的护眼镜的指示。
条款4.根据条款1所述的系统，其中所述运载工具是飞行器。
条款5.根据条款1所述的系统，其中所述光学子系统包括频谱滤波器。
条款6.根据条款1所述的系统，其中所述探测器子系统包括光电传感器。
条款7.根据条款1所述的系统，其进一步包括安装至所述运载工具的底座和连接至所述底座的头部，所述头部围绕所述探测器。
条款8.根据条款7所述的系统，其中探测器阵列设置在所述头部内，被配置为提供360°视场。
条款9.根据条款1所述的系统，其中所述激光警告输出信号指示所述激光辐射的逼近方向和所述激光辐射的源的位置中的至少一个。
条款10.一种向飞行器的驾驶员警告存在激光辐射的方法，所述方法包括以下步骤：
提供安装至所述飞行器的探测器，所述探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统；
使用所述光学子系统探测进入的激光辐射；
将所述激光辐射聚焦并引导到所述探测器子系统；
响应于所述激光辐射而产生数字信号；
将所述数字信号传输至所述处理器子系统；
处理所述数字信号以确定所述激光辐射的波长特性；以及
根据所述波长特性将激光警告输出信号传输至所述驾驶员。
条款11.根据条款10所述的方法，进一步包括确定所述激光辐射的逼近方向的步骤。
条款12.根据条款10所述的方法，其进一步包括确定所述激光辐射的源的位置的步骤。
条款13.根据条款10所述的方法，其中所述探测器子系统包括光电传感器。
条款14.一种激光探测方法，包括以下步骤：
提供运载工具；
将探测器安装到所述运载工具上；
使用所述探测器探测激光辐射，所述激光辐射自源发出；
确定所述激光辐射的逼近方向；
确定所述运载工具的空间位置；以及
根据所述逼近方向和所述空间位置确定所述源的位置。
条款15.根据条款14所述的方法，其中所述运载工具是飞行器。
条款16.根据条款14所述的方法，进一步包括通知所述位置的执法机构的步骤。
条款17.根据条款14所述的方法，其中确定所述位置的步骤包括参考地形数据。
条款18.根据条款14所述的方法，进一步包括当探测到所述激光辐射时生成激光警告输出信号的步骤。
条款19.根据条款18所述的方法，进一步包括将所述激光警告输出信号传输至所述运载工具的驾驶员的步骤。
条款20.根据条款18所述的方法，其中所述激光警告输出信号包括用于采取抵御所述激光辐射的保护措施的指令。
尽管已经显示和描述了所公开的激光探测和警告系统的各个方面，但是在阅读本说明书后本领域技术人员可以进行修改。本申请包括这些修改，并且本发明仅被权利要求的范围限制。
Claims (10)
1.一种激光探测和警告系统，其包括：
飞行器；
探测器，其连接到所述飞行器，所述探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统，所述光学子系统被设置为聚焦进入的激光辐射，所述探测器子系统被设置为吸收所述光学子系统聚焦的激光辐射并且响应于吸收的激光辐射生成数字信号，所述处理器子系统确定所述激光辐射的特性，其中所述处理器子系统包括：
数字信号处理器，其被设置为根据所述数字信号确定所述激光辐射的强度并且根据所述数字信号确定所述激光辐射的源相对于所述飞行器的方位角和高度；
全球定位系统、导航处理器和具有表示局部区域的地形数据的数字地面映射处理器，所述全球定位系统、所述导航处理器和所述数字地面映射处理器中的每一个与所述数字信号处理器通信以提供激光警告输出信号，其中所述处理器子系统被设置为通过如下操作确定所述激光辐射的特性：
利用所述全球定位系统提供的全球定位坐标、所述导航处理器提供的所述飞行器的俯仰、滚动和偏航、所述激光探测和警告系统被耦合到所述飞行器的位置和所述数字地面映射处理器提供的所述飞行器相对于所述局部区域的地面位置确定所述飞行器的相对位置；以及
通过关联与所述进入的激光辐射相关的强度信息和方向信息，并且一起处理与所述进入的激光辐射相关的强度信息和方向信息以及所述飞行器的相对位置，确定所述激光辐射的源的位置；并且响应于所述激光辐射传输所述激光警告输出信号；
所述激光警告输出信号包括所述进入的激光辐射的源的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光警告输出信号指示所述激光辐射的波长。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述激光警告输出信号提供对抗所述波长的护目镜的指示。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学子系统包括频谱滤波器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述探测器子系统包括光电传感器。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括安装至所述飞行器的底座和连接至所述底座的头部，所述头部围绕所述探测器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中探测器阵列被设置在所述头部内，所述头部被配置为提供三百六十度视场。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述激光警告输出信号指示所述激光辐射的逼近方向和所述激光辐射的源的位置的至少其中之一。
9.一种警告飞行器的驾驶员存在激光辐射的方法，所述方法包括以下步骤：
提供一种激光探测系统，所述系统包括安装至所述飞行器的探测器，所述探测器包括光学子系统、探测器子系统和处理器子系统，其中所述处理器子系统包括：数字信号处理器、全球定位系统、导航处理器和具有表示局部区域的地形数据的数字地面映射处理器，所述全球定位系统、所述导航处理器和所述数字地面映射处理器中的每一个与所述数字信号处理器通信以提供激光警告输出信号；
使用所述光学子系统探测进入的激光辐射；
将所述激光辐射聚焦并引导到所述探测器子系统；
响应所述激光辐射而生成数字信号；
将所述数字信号传输至所述处理器子系统；
利用所述数字信号处理器根据所述数字信号确定所述激光辐射的强度；
利用所述数字信号处理器根据所述数字信号确定所述激光辐射的源相对于所述飞行器的方位角和高度；
利用所述全球定位系统提供的全球定位坐标、所述导航处理器提供的所述飞行器的俯仰、滚动和偏航、所述激光探测系统被耦合到所述飞行器的位置和所述数字地面映射处理器提供的所述飞行器相对于所述局部区域的地面位置，用所述数字信号处理器确定所述飞行器的相对位置；
通过关联与所述进入的激光辐射相关的强度信息和方向信息，并且一起处理与所述进入的激光辐射相关的强度信息和方向信息以及所述飞行器的相对位置，用所述数字信号处理器确定所述激光辐射的源的位置；以及
将所述激光警告输出信号传输给所述驾驶员，所述激光警告输出信号包括所述进入的激光辐射的源的位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述探测器子系统包括光电传感器。
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